CN112155804A - 一种定制式3d打印踝关节装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医用假体装置技术领域，尤其是一种定制式3D打印踝关节装置。该定制式3D打印踝关节装置，包括由上至下依次设置的胫骨远端骨干假体、胫骨远端下关节面、关节滑道、距骨上关节面和距骨假体。本发明能够实现在大段胫骨和踝关节距骨缺失且韧带缺失后，对踝关节运动功能的修复，按照患者的解剖结构设计，其运动旋转中心与自然骨运动中心尽可能一致，运动接触面的位置与自然骨接触面尽可能一致，各组件之间拆装方便且安装后稳定性强，保证踝关节运动稳定、不脱出。
Description
技术领域
本发明涉及医用假体装置技术领域，尤其是一种定制式3D打印踝关节装置。
背景技术
踝关节是由胫骨、腓骨下端的关节面与距骨滑车构成，又称为距骨小腿关节。胫骨下关节面与内外踝关节面共同形成关节窝，容纳距骨滑车。距骨是足踝部最大的不规则骨，其位于踝穴内，对于踝关节功能和生物力学至关重要。整个踝关节还需要依靠韧带来实现关节运动的稳定性。
目前因创伤性关节炎、骨关节炎、类风湿性关节炎等引起的疾病可施行踝关节融合术或人工踝关节置换术。踝关节缺损会造成关节面丢失，仅能考虑进行关节置换术。现有人工踝关节置换产品，主要是针对关节面的置换，同时需要在韧带保留的情况下，来维持运动的稳定性。对于踝关节几何形貌严重缺损、骨质疏松严重、骨坏死、韧带不稳定或缺失以及大段骨干、关节缺损等病症，现有的踝关节产品无法实现置换、修补、维持运动稳定的效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种定制式3D打印踝关节装置，克服前述现有技术的不足，针对因创伤、骨髓炎或者骨肿瘤而引起的胫骨和踝关节大段骨和关节缺损病症进行踝关节置换、修复并维持术后运动稳定的效果，保证踝关节运动稳定、不脱出。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
一种定制式3D打印踝关节装置，包括由上至下依次设置的胫骨远端骨干假体、胫骨远端下关节面、关节滑道、距骨上关节面和距骨假体，其中：
所述胫骨远端骨干假体由钛合金粉末材料增材制造而成，根据患者自身缺损及解剖结构设计，包括由上至下依次设置的髓针、3D打印胫骨多孔结构、胫骨骨干、第一燕尾槽结构和延伸板结构，所述3D打印胫骨多孔结构与髓针连接端的一侧设置有固定板，髓针和固定板均纵向设置且开设有若干螺钉孔，根据具体胫骨缺损大小、骨质等确定螺钉孔大小、数量和距离，根据自然髓腔设计，并配合使用常规锁定螺钉锁定，使得髓针与自然胫骨髓腔匹配，固定板与自然骨定位贴合，保证假体在胫骨部位固定的稳定性，胫骨骨干的下端对称设置有第一燕尾槽结构，第一燕尾槽结构的下方均设置有延伸板结构，延伸板结构上开设有定位卡槽；
所述胫骨远端下关节面为超高分子量聚乙烯材料通过传统机加工方式制成，根据患者健康胫骨远端镜像尺寸设计，包括互相卡接的第一侧块和第二侧块，第一侧块的卡接面上设置有内凹结构，第二侧块的卡接面上设置有外凸结构，第一侧块的上端和第二侧块的上端均设置有第二燕尾槽结构，第一侧块的外侧和第二侧块的外侧均设置有台阶面，台阶面的侧壁上设置有凸块，第一侧块的内侧和第二侧块的内侧均开设有弧形滑道凹槽，第一侧块和第二侧块的下端面均设置有关节接触面，关节接触面的前后两端均设置有运动限位倒角面，第一侧块和第二侧块卡接后通过第二燕尾槽结构与第一燕尾槽结构的配合与胫骨远端骨干假体安装，安装后延伸板结构卡合在台阶面上，凸块插入定位卡槽中，第一侧块和第二侧块的两个弧形滑道凹槽之间形成一个“T”型容置腔，将胫骨远端下关节面加工成卡接的第一侧块和第二侧块，其目的是为了便于加工弧形滑道凹槽；
所述滑道关节由钛合金材料机加工而成，包括呈“T”型的弧形滑道，弧形滑道的中下部呈两侧渐缩的锥型结构，“T”型的弧形滑道与弧形滑道凹槽配合安装并被挤压限位于第一侧块和第二侧块之间，锥形结构从第一侧块和第二侧块的下方伸出；
所述距骨上关节面是使用CoCrMo材料经机加工制成，根据镜像的健康距骨上关节面的大小、弧度进行设计，距骨上关节面的上端设置有表面镜面抛光面，表面镜面抛光面的中部设置有与锥形结构相配合的锥形槽，距骨上关节面的下端面设置有插块，锥形结构插入锥形槽中将距骨上关节面与滑道关节连接，表面镜面抛光面与胫骨远端下关节面的关节接触面相接触，是主要的关节接触面，滑道关节的锥形结构与距骨上关节面的锥形槽设置形式有利于胫骨远端下关节面与滑道关节和距骨上关节面的装配；
所述距骨假体与患者原距骨形态相同，距骨假体的上端设置有限位面，限位面中部区域开设有插块插孔，距骨假体的一端设置有若干距骨接骨螺钉孔，根据解剖距骨头的尺寸和骨质来确定距骨接骨螺钉孔大小、数量及方向，距骨假体的另一端设置有跟骨板，跟骨板上开设有螺钉孔，跟骨板是根据患者解剖结构，与患者跟骨贴合，螺钉孔按照跟骨板尺寸确定数量及方向，距骨假体上还设置有微孔结构，插块插入插块插孔中将距骨假体和距骨上关节面连接，连接后距骨假体和距骨上关节面之间不能水平旋转，限位面与第一侧块和第二侧块的运动限位倒角面配合实现单方向运动限位,距骨接骨螺钉孔和跟骨板上的螺钉孔配合，能够实现初期固定的稳定性，微孔结构促进骨长入，能够实现距骨中后期的稳定。
进一步的，所述第一侧块的内凹结构和第二侧块的外凸结构过度配合，第一燕尾槽和与其位置相对应的第二燕尾槽结构过盈配合，增强第一侧块和第二侧块之间的稳定性和安装后的整体稳定性，延伸板结构和与其位置相对应的台阶面间隙配合，确保在关节受压条件下，胫骨远端下关节面的第一侧块和第二侧块在力的作用下保证接触面的稳定。
进一步的，所述呈“T”型的弧形滑道与弧形滑道凹槽间隙配合，能够控制关节运动方向及自由度，防止运动脱出的可能，保证运动的稳定；所述锥型结构与锥形槽过盈配合。
进一步的，所述插块设置有两块，其中一块呈圆锥形，另一块呈圆柱形，与插块插孔连接后能够起到防止旋转的作用。
进一步的，所述插块与插块插孔过盈配合，起到固定作用。
进一步的，所述胫骨远端骨干假体的3D打印胫骨多孔结构和距骨假体的微孔结构均设置于与患者的骨结合部位。
进一步的，所述3D打印胫骨多孔结构和微孔结构的孔径大小平均为600-700μm，孔隙率60-80％。
进一步的，所述跟骨板厚度为1.8-2.2mm，能够保证跟骨板存在而不突出。
进一步的，所述限位面与第一侧块和第二侧块的运动限位倒角面配合实现踝关节跖屈背伸运动，包括跖屈50°、背伸30°。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的一种定制式3D打印踝关节装置具有以下优点：能够实现在大段胫骨和踝关节距骨缺失且韧带缺失后，对踝关节运动功能的修复，按照患者的解剖结构设计，其运动旋转中心与自然骨运动中心尽可能一致，运动接触面的位置与自然骨接触面尽可能一致，各组件之间拆装方便且安装后稳定性强，保证踝关节运动稳定、不脱出。
附图说明
图1为本发明总体结构示意图；
图2为本发明胫骨远端骨干假体结构示意图；
图3为本发明胫骨远端下关节面结构放大示意图；
图4为本发明关节滑道结构放大示意图；
图5为本发明距骨上关节面结构放大示意图；
图6为本发明距骨假体结构放大示意图；
其中，1胫骨远端骨干假体、101髓针、1023D打印胫骨多孔结构、103胫骨骨干、104第一燕尾槽结构、105延伸板结构、106固定板、107定位卡槽、2胫骨远端下关节面、201第一侧块、202第二侧块、203内凹结构、204外凸结构、205第二燕尾槽、206台阶面、207凸块、208弧形滑道凹槽、209关节接触面、210运动限位倒角面、3关节滑道、301弧形滑道、302锥型结构、4距骨上关节面、401表面镜面抛光面、402锥形槽、403插块、5距骨假体、501限位面、502插块插孔、503距骨接骨螺钉孔、504跟骨板、505微孔结构。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1-6所示实施例中，一种定制式3D打印踝关节装置，包括由上至下依次设置的胫骨远端骨干假体1、胫骨远端下关节面2、关节滑道3、距骨上关节面4和距骨假体5，其中：
所述胫骨远端骨干假体1由钛合金粉末材料增材制造而成，根据患者自身缺损及解剖结构设计，包括由上至下依次设置的髓针101、3D打印胫骨多孔结构102、胫骨骨干103、第一燕尾槽结构104和延伸板结构105，所述3D打印胫骨多孔结构102与髓针101连接端的一侧设置有固定板106，髓针101和固定板106均纵向设置且开设有若干螺钉孔，根据具体胫骨缺损大小、骨质等确定螺钉孔大小、数量和距离，根据自然髓腔设计，并配合使用常规锁定螺钉锁定，使得髓针101与自然胫骨髓腔匹配，固定板106与自然骨定位贴合，保证假体在胫骨部位固定的稳定性，胫骨骨干103的下端对称设置有第一燕尾槽结构104，第一燕尾槽结构104的下方均设置有延伸板结构105，延伸板结构105上开设有定位卡槽107；
所述胫骨远端下关节面2为超高分子量聚乙烯材料通过传统机加工方式制成，根据患者健康胫骨远端镜像尺寸设计，包括互相卡接的第一侧块201和第二侧块202，第一侧块201的卡接面上设置有内凹结构203，第二侧块202的卡接面上设置有外凸结构204，第一侧块201的上端和第二侧块202的上端均设置有第二燕尾槽205结构，第一侧块201的外侧和第二侧块202的外侧均设置有台阶面206，台阶面206的侧壁上设置有凸块207，第一侧块201的内侧和第二侧块202的内侧均开设有弧形滑道凹槽208，第一侧块201和第二侧块202的下端面均设置有关节接触面209，关节接触面209的前后两端均设置有运动限位倒角面210，第一侧块201和第二侧块202卡接后通过第二燕尾槽结构205与第一燕尾槽结构104的配合与胫骨远端骨干假体1安装，安装后延伸板结构105卡合在台阶面206上，凸块207插入定位卡槽107中，第一侧块201和第二侧块202的两个弧形滑道凹槽208之间形成一个“T”型容置腔，将胫骨远端下关节面2加工成卡接的第一侧块201和第二侧块202，其目的是为了便于加工弧形滑道凹槽208；
所述滑道关节3由钛合金材料机加工而成，包括呈“T”型的弧形滑道301，弧形滑道301的中下部呈两侧渐缩的锥型结构302，“T”型的弧形滑道301与弧形滑道凹槽208配合安装并被挤压限位于第一侧块201和第二侧块202之间，锥形结构302从第一侧块201和第二侧块202的下方伸出；
所述距骨上关节面4是使用CoCrMo材料经机加工制成，根据镜像的健康距骨上关节面的大小、弧度进行设计，距骨上关节面4的上端设置有表面镜面抛光面401，表面镜面抛光面401的中部设置有与锥形结构302相配合的锥形槽402，距骨上关节面4的下端面设置有插块403，锥形结构302插入锥形槽402中将距骨上关节面4与滑道关节3连接，表面镜面抛光面401与胫骨远端下关节面2的关节接触面209相接触，是主要的关节接触面，滑道关节3的锥形结构302与距骨上关节面4的锥形槽402设置形式有利于胫骨远端下关节面2与滑道关节3和距骨上关节面4的装配；
所述距骨假体5与患者原距骨形态相同，距骨假体5的上端设置有限位面501，限位面501中部区域开设有插块插孔502，距骨假体5的一端设置有若干距骨接骨螺钉孔503，根据解剖距骨头的尺寸和骨质来确定距骨接骨螺钉孔503的大小、数量及方向，距骨假体5的另一端设置有跟骨板504，根骨板504上开设有螺钉孔，跟骨板504是根据患者解剖结构，与患者跟骨贴合，螺钉孔按照跟骨板504尺寸确定数量及方向，距骨假体5上还设置有微孔结构505，插块403插入插块插孔502中将距骨假体1和距骨上关节面4连接，连接后距骨假体1和距骨上关节面4之间不能水平旋转，限位面501与第一侧块201和第二侧块202的运动限位倒角面210配合实现单方向运动限位,距骨接骨螺钉孔502和跟骨板504上的螺钉孔配合，能够实现初期固定的稳定性，微孔结构505促进骨长入，能够实现距骨中后期的稳定。
本实施例中，所述第一侧块201的内凹结构203和第二侧块202的外凸结构204过度配合，第一燕尾槽结构104和与其位置相对应的第二燕尾槽结构205过盈配合，增强第一侧块201和第二侧块202之间的稳定性和安装后的整体稳定性，延伸板结构105和与其位置相对应的台阶面206间隙配合，确保在关节受压条件下，胫骨远端下关节面2的第一侧块201和第二侧块202在力的作用下保证接触面的稳定。
本实施例中，所述呈“T”型的弧形滑道301与弧形滑道凹槽208间隙配合，能够控制关节运动方向及自由度，防止运动脱出的可能，保证运动的稳定；所述锥型结构302与锥形槽402过盈配合。
本实施例中，所述插块403设置有两块，其中一块呈圆锥形，另一块呈圆柱形，与插块插孔502连接后能够起到防止旋转的作用。
本实施例中，所述插块403与插块插孔502过盈配合，起到固定作用。
本实施例中，所述胫骨远端骨干假体1的3D打印胫骨多孔结构102和距骨假体5的微孔结构505均设置于与患者的骨结合部位。
本实施例中，所述3D打印胫骨多孔结构102和微孔结构505的孔径大小平均为600-700μm，孔隙率60-80％。
本实施例中，所述跟骨板504厚度为2mm，能够保证跟骨板504存在而不突出。
本实施例中，所述限位面501与第一侧块201和第二侧块202的运动限位倒角面210配合实现踝关节跖屈背伸运动，包括跖屈50°、背伸30°。
上述具体实施方式仅是本发明的具体个案，本发明的专利保护范围包括但不限于上述具体实施方式的产品形态和式样，任何符合本发明权利要求书且任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应落入本发明的专利保护范围。
Claims (10)
1.一种定制式3D打印踝关节装置，其特征在于：包括由上至下依次设置的胫骨远端骨干假体、胫骨远端下关节面、关节滑道、距骨上关节面和距骨假体，其中：
所述胫骨远端骨干假体根据患者自身缺损及解剖结构设计，包括由上至下依次设置的髓针、3D打印胫骨多孔结构、胫骨骨干、第一燕尾槽结构和延伸板结构，所述3D打印胫骨多孔结构与髓针连接端的一侧设置有固定板，髓针和固定板均纵向设置且开设有若干螺钉孔，髓针与自然胫骨髓腔匹配，固定板与自然骨定位贴合，胫骨骨干的下端对称设置有第一燕尾槽结构，第一燕尾槽结构的下方均设置有延伸板结构，延伸板结构上开设有定位卡槽；
所述胫骨远端下关节面根据患者健康胫骨远端镜像尺寸设计，包括互相卡接的第一侧块和第二侧块，第一侧块的卡接面上设置有内凹结构，第二侧块的卡接面上设置有外凸结构，第一侧块的上端和第二侧块的上端均设置有第二燕尾槽结构，第一侧块的外侧和第二侧块的外侧均设置有台阶面，台阶面的侧壁上设置有凸块，第一侧块的内侧和第二侧块的内侧均开设有弧形滑道凹槽，第一侧块和第二侧块的下端面均设置有关节接触面，关节接触面的前后两端均设置有运动限位倒角面，第一侧块和第二侧块卡接后通过第二燕尾槽结构与第一燕尾槽结构的配合与胫骨远端骨干假体安装，延伸板结构卡合在台阶面上，凸块插入定位卡槽中；
所述滑道关节包括呈“T”型的弧形滑道，弧形滑道的中下部呈两侧渐缩的锥型结构，“T”型的弧形滑道与弧形滑道凹槽配合安装并被挤压限位于第一侧块和第二侧块之间，锥形结构从第一侧块和第二侧块的下方伸出；
所述距骨上关节面根据镜像的健康距骨上关节面的大小、弧度进行设计，距骨上关节面的上端设置有表面镜面抛光面，表面镜面抛光面的中部设置有与锥形结构相配合的锥形槽，距骨上关节面的下端面设置有插块，锥形结构插入锥形槽中将距骨上关节面与滑道关节连接，表面镜面抛光面与胫骨远端下关节面的关节接触面相接触；
所述距骨假体与患者原距骨形态相同，距骨假体的上端设置有限位面，限位面中部区域开设有插块插孔，距骨假体的一端设置有距骨接骨螺钉孔，距骨假体的另一端设置有跟骨板，根骨板上开设有螺钉孔，距骨假体上还设置有微孔结构，插块插入插块插孔中将距骨假体和距骨上关节面连接，连接后距骨假体和距骨上关节面之间不能水平旋转，限位面与第一侧块和第二侧块的运动限位倒角面配合实现单方向运动限位，跟骨板根据患者解剖结构与患者跟骨贴合。
2.根据权利要求1所述的一种定制式3D打印踝关节装置，其特征在于：所述第一侧块的内凹结构和第二侧块的外凸结构过渡配合，第一燕尾槽结构和与其位置相对应的第二燕尾槽结构过盈配合，延伸板结构和与其位置相对应的台阶面间隙配合。
3.根据权利要求1所述的一种定制式3D打印踝关节装置，其特征在于：所述呈“T”型的弧形滑道与弧形滑道凹槽间隙配合，所述锥型结构与锥形槽过盈配合。
4.根据权利要求1所述的一种定制式3D打印踝关节装置，其特征在于：所述插块设置有两块，其中一块呈圆锥形，另一块呈圆柱形。
5.根据权利要求1所述的一种定制式3D打印踝关节装置，其特征在于：所述插块与插块插孔过盈配合。
6.根据权利要求1所述的一种定制式3D打印踝关节装置，其特征在于：所述胫骨远端骨干假体的3D打印胫骨多孔结构和距骨假体的微孔结构均设置于与患者的骨结合部位。
7.根据权利要求1所述的一种定制式3D打印踝关节装置，其特征在于：所述3D打印胫骨多孔结构和微孔结构的孔径大小平均为600-700μm，孔隙率60-80％。
8.根据权利要求1所述的一种定制式3D打印踝关节装置，其特征在于：所述跟骨板厚度为1.8-2.2mm。
9.根据权利要求1所述的一种定制式3D打印踝关节装置，其特征在于：所述限位面与第一侧块和第二侧块的运动限位倒角面配合实现踝关节跖屈背伸运动，包括跖屈50°、背伸30°。
10.根据权利要求1所述的一种定制式3D打印踝关节装置，其特征在于：所述胫骨远端骨干假体主要由钛合金粉末材料增材制造而成，所述胫骨远端下关节面主要由超高分子量聚乙烯材料制成，所述关节滑道主要由钛合金材料制成，所述距骨上关节面主要由CoCrMo材料制成。
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